一类非线性相对转动系统的混沌运动及多时滞反馈控制

建立一类含非线性粘滑摩擦力的两质量非线性相对转动系统的动力学方程. 研究此非线性相对转动系统在外激励作用下的混沌运动及多时滞反馈控制. 当系统在外激励作用下处于混沌状态时, 考虑引入多时滞反馈对系统的混沌运动进行控制. 应用Melnikov理论给出系统在Smale意义下的混沌临界条件, 研究了多时滞反馈对系统运动及混沌临界值的影响规律. 并结合系统相图、Poincare截面图和功率谱分析多时滞反馈参数对系统混沌运动的控制作用. 关键词： 多时滞 相对转动 控制 数值仿真     

一类含Mathieu-Duffing振子的相对转动系统的分岔和混沌

建立了一类具有Mathieu-Duffing振子的两质量相对转动系统的非线性动力学方程. 应用多尺度法求解该系统发生主共振-基本参数共振的分岔响应方程,并通过奇异性分析得到系统稳态响应的转迁集. 利用Melnikov方法讨论系统在外激扰动和参激扰动变化下的全局分岔和系统进入混沌状态的可能途径,得到外激和参激幅值变化下系统可能出现多次通向混沌的道路,获得系统发生混沌的必要条件. 最后采用数值方法验证了理论研究的有效性. 关键词： 相对转动 Mathieu-Duffing振子 混沌 Melnikov方法     

一类相对转动非线性动力系统的混沌运动

研究一类具有同宿轨道、异宿轨道的相对转动非线性动力系统的混沌运动. 建立具有非线性刚度、非线性阻尼和外扰激励作用的一类两质量相对转动非线性动力系统的动力学方程. 利用Melnikov方法讨论了系统的全局分岔和系统进入混沌状态的可能途径,给出了系统发生混沌的必要条件,并利用最大Lyapunov指数图,分岔图,Poincare截面图和相轨迹图进一步分析了系统的混沌行为. 关键词： 相对转动 非线性动力系统 混沌 Melnikov方法     

一类非线性相对转动系统的组合共振分岔与混沌

研究一类具有异宿轨道的非线性相对转动系统的分岔与混沌运动. 应用耗散系统的拉格朗日方程建立一类组合谐波激励作用下非线性相对转动系统的动力学方程. 利用多尺度法求解相对转动系统发生组合共振时满足的分岔响应方程并进行奇异性分析, 得到了系统稳态响应的转迁集. 根据相对转动系统异宿轨道参数方程, 求解了异宿轨道的Melnikov函数, 并给出了系统发生Smale马蹄变换意义下混沌的临界条件. 最后采用数值方法, 通过分岔图, 最大Lyapunov指数图, 相轨迹图和庞加莱截面图研究系统参数对混沌运动的影响.     

相对转动非线性动力系统的稳定性与强迫激励下的近似解

研究相对转动非线性动力系统的运动稳定性.建立具有一般广义阻尼力和外扰激励的一类两质量相对转动非线性动力系统的动力学方程.研究相对转动非线性动力自治系统的稳定性，证明系统在一定条件下可发生闭轨分岔.应用多尺度法得到强迫激励下非自治系统的近似解. 关键词： 相对转动 非线性动力系统 运动稳定性 近似解     

Multi-pulse chaotic dynamics in non-planar motion of parametrically excited viscoelastic moving belt

This paper investigates the multi-pulse global bifurcations and chaotic dynamics for the nonlinear, non-planar oscillations of the parametrically excited viscoelastic moving belt using an extended Melnikov method in the resonant case. Using the Kelvin-type viscoelastic constitutive law and Hamilton's principle, the equations of motion are derived for the viscoelastic moving belt with the external damping and parametric excitation. Applying the method of multiple scales and Galerkin's approach to the partial differential governing equation, the four-dimensional averaged equation is obtained for the case of 1:1 internal resonance and primary parametric resonance. From the averaged equations obtained, the theory of normal form is used to derive the explicit expressions of normal form with a double zero and a pair of pure imaginary eigenvalues. Based on the explicit expressions of normal form, the extended Melnikov method is used for the first time to investigate the Shilnikov-type multi-pulse homoclinic bifurcations and chaotic dynamics. The paper demonstrates how to employ the extended Melnikov method to analyze the Shilnikov-type multi-pulse homoclinic bifurcations and chaotic dynamics of high-dimensional nonlinear systems in engineering applications. Numerical simulations show that for the nonlinear non-planar oscillations of the viscoelastic moving belt, the Shilnikov-type multi-pulse chaotic motions can occur. Overall, both theoretical and numerical studies suggest that the chaos for the Smale horseshoe sense in motion exists.     

Identification and control of chaos in nonlinear gear dynamic systems using Melnikov analysis

In this paper, the Melnikov analysis is extended to develop a practical model of gear system to control and eliminate the chaotic behavior. To this end, a nonlinear dynamic model of a spur gear pair with backlash, time-varying stiffness and static transmission error is established. Based on the Melnikov analysis the global homoclinic bifurcation and transition to chaos in this model are predicted. Then non-feedback control method is used to eliminate the chaos by applying an additional control excitation. The regions of the parameter space for the control excitation are obtained analytically. The accuracy of the theoretical predictions and also the performance of the proposed control system are verified by the comparison with the numerical simulations. The simulation results show effectiveness of the proposed control system and present some useful information to analyze and control the gear dynamical systems.     

沟道效应的运动阻尼与系统走向混沌的临界特征

利用正弦平方势,把粒子运动方程化为具有运动阻尼和周期调制的摆方程.利用Melnikov方法分析了系统的全局分叉和混沌行为，指出了沟道辐射本底增强和沟道效应的无规行为与混沌之间的相关性. 关键词： 沟道效应 摆方程 分叉 混沌     

Bifurcation and chaos analysis of a nonlinear electromechanical coupling relative rotation system

Hopf bifurcation and chaos of a nonlinear electromechanical coupling relative rotation system are studied in this paper. Considering the energy in air-gap field of AC motor, the dynamical equation of nonlinear electromechanical coupling relative rotation system is deduced by using the dissipation Lagrange equation. Choosing the electromagnetic stiffness as a bifurcation parameter, the necessary and sufficient conditions of Hopf bifurcation are given, and the bifurcation characteristics are studied. The mechanism and conditions of system parameters for chaotic motions are investigated rigorously based on the Silnikov method, and the homoclinic orbit is found by using the undetermined coefficient method. Therefore, Smale horseshoe chaos occurs when electromagnetic stiffness changes. Numerical simulations are also given, which confirm the analytical results.     

Global dynamics of a pipe conveying pulsating fluid in primary parametrical resonance: Analytical and numerical results from the nonlinear wave equation

The chaotic dynamics of nonlinear waves in the harmonic-forced fluid-conveying pipe in primary parametrical resonance, is explored analytically and numerically. The multiple scale method is applied to obtain an equivalent nonlinear wave equation from the complicated nonlinear governing equation describing the fluid conveyed in a pipe. With the Melnikov method, the persistence of a heteroclinic structure is shown to be satisfied and its condition is given in functional form. Similarly, for the heteroclinic orbit, using geometric analysis, a condition function of the stable manifold is derived for the orbit to return to the stable manifold from the saddle point. The persistent homoclinic structures and threshold of chaos in the Smale-horseshoe sense are obtained for the fluid-conveying pipe under both conditions, indicating how the external excitation amplitude can change substantially the global dynamics of the fluid conveyed in the pipe. A numerical approach was used to test the prediction from theory. The impact of the external excitation amplitude on the nonlinear wave in the fluid-conveying pipe was also studied from numerical simulations. Both theoretical predications and numerical simulations attest to the complex chaotic motion of fluid-conveying pipes.     

Hopf bifurcation control for a coupled nonlinear relative rotation system with time-delay feedbacks

This paper investigates the Hopf bifurcations resulting from time delay in a coupled relative-rotation system with time- delay feedbacks. Firstly, considering external excitation, the dynamical equation of relative rotation nonlinear dynamical system with primary resonance and 1：1 internal resonance under time-delay feedbacks is deduced. Secondly, the averaging equation is obtained by the multiple scales method. The periodic solution in a closed form is presented by a perturbation approach. At last, numerical simulations confirm that time-delay theoretical analyses have influence on the Hopf bifurcation point and the stability of periodic solution.     

一类含三势阱Mathieu-Duffing振子的相对转动系统的分岔和混沌

建立了一类具有三势阱Mathieu-Duffing振子的两质量相对转动系统的非线性动力学方程.应用多尺度法和奇异性理论分析该系统在非自治情况下的余维3分岔特性.利用Melnikov方法获得系统在Smale马蹄意义下混沌的阈值.最后通过数值仿真,研究了系统的混沌行为和安全盆分岔,得到安全盆被侵蚀的过程与系统通向混沌的过程之间密切联系.     

埋地油气管道地磁感应电流(GIC)的混沌特性研究

空间天气影响下的钢制油气管道会产生地磁感应电流,地磁感应电流能够加速管道腐蚀,干扰管道监测装置,危及人身安全.为了研究管道地磁感应电流的非线性动力学特性,首先基于线传输理论,建立了管道地磁感应电流模型,并应用Melnikov方法对模型进行分析,揭示了地磁场与管道系统相互作用而产生混沌的机理,指出管道地磁感应电流具有出现混沌的可能性.其次,以中国西气东输一线管道中卫处6次磁暴事件数据为例,依据功率谱分析法、主分量法、关联维数法、Lyapunov指数法等多种混沌判别方法,对计算得到的地磁感应电流时间序列作了定量和定性的分析,进一步验证理论分析的结果.数学模型和实际数据两方面都表明:在空间天气影响下,埋地钢制管道系统内的地磁感应电流具有混沌特性,为空间天气影响下的钢制油气管道保护提供了理论依据.     

Duffing系统的主-超谐联合共振

非线性动力系统极易发生共振,在多频激励下可能发生联合共振或组合共振,目前关于非线性系统的主-超谐联合共振的研究少见报道.本文以Duffing系统为对象,研究系统在主-超谐联合共振时的周期运动和通往混沌的道路.应用多尺度法得到系统的近似解析解,并利用数值方法对解析解进行验证,结果吻合良好.基于Lyapunov第一方法得到稳态周期解的稳定性条件,并分析了非线性刚度对稳态周期解的幅值和稳定性的影响.此外,由于近似解只能描述周期运动,不足以描述系统的全局特性,因而应用Melnikov方法对系统进行全局分析,得到系统进入Smale马蹄意义下混沌的条件,依据该条件以及主-超谐联合共振的条件选取一组参数进行数值仿真.分岔图和最大Lyapunov指数显示出两个临界值:当激励幅值通过第一个临界值时,异宿轨道破裂,混沌吸引子突然出现,系统以激变方式进入混沌;激励幅值通过第二个临界值时,系统在混沌态下再次发生激变,进入另一种混沌态.利用Melnikov方法考察了第一个临界值在多种频率组合下的变化趋势,并用数值仿真验证了解析结果的正确性.     

待定固有频率法在分析系统混沌临界值问题中的应用

利用规范形理论与待定固有频率寻求改善Melnikov函数分析非线性振动系统混沌阈值的简单方法,着重讨论参数与周期激励联合作用下具有主参数共振的三阱势能系统,建立了其Melnikov函数积分式.引入由待定固有频率形成的时间尺度变换,从同宿及异宿分岔两个角度获取系统的混沌临界值,使得非线性扰动量对于基频的影响有效地体现于Melnikov函数表达式中,进而结合相应的分析过程提高所得结果的计算精度.作为算例,对解析解与数值积分结果进行了对比,以验证提出方法的有效性与可行性. 关键词： 规范形 Melnikov方法 混沌 同宿分岔     

一类准周期参激非线性相对转动动力系统的稳定性与时滞反馈控制

建立了一类含准周期参数激励和时滞反馈的相对转动非线性系统的动力学方程. 采用多尺度法求解1/2亚谐波主参数共振下的分岔响应方程,并分析了系统的稳定性. 在求解非受控系统的定常解的基础上,通过讨论系统的动力学特性,研究了准周期参数激励对系统响应的影响. 采用时滞反馈控制的方法对系统分岔和极限环(域)进行控制,数值模拟的结果表明通过改变时滞参数可以实现对系统分岔的控制,并能有效地控制极限环(域)的幅值和稳定性. 关键词： 相对转动 准周期参激 时滞反馈 极限环     

带电粒子同超晶格的相互作用与系统的混沌行为

把超晶格“折沟道”对粒子的作用等效为形状相似的弱周期调制. 利用正弦平方势把粒子运动方程化为具有外周期弱调制的非线性微分方程，并利用Melnikov 方法分析了系统出现Smale 马蹄的临界条件. 预言了带电粒子同超晶格相互作用过程中, 系统可能出现的混沌行为, 为半导体超晶格材料的制备和半导体超晶格光磁电效应的研究提供了基本的理论分析. 关键词： 超晶格 非线性 微分方程 混沌     

周期参数扰动的T混沌系统同宿轨道分析

针对一类周期参数扰动的T混沌系统, 通过变换将系统转化为具有广义Hamilton结构的周期参数扰动的慢变系统, 运用Melnikov方法对系统的同宿轨道进行了分析计算, 并给出了系统的同宿轨道参数分支条件. 同时, 通过数值实验, 对周期参数扰动控制策略及同宿轨道进行了仿真, 验证了文中理论分析的正确性. 关键词： Hamilton系统 Melnikov方法 同宿轨道 周期参数扰动     

压电材料双曲壳热弹耦合作用下的混沌运动

运用弹性力学有限变形基本理论推导出了压电材料双曲壳在外激力和温度场作用下的非线性振动方程和协调方程.通过Bubnov-Galerkin原理,得到该结构的非线性动力学方程.利用Melnikov方法,得到系统产生Smale马蹄变换意义下混沌的条件,用四阶Runge-Kutta法编写程序对系统进行数值求解,并绘制出相应的分岔图、Lyapunov指数图、相轨迹图以及Poincaré截面图,分析了温度场对压电材料双曲壳系统的非线性特性的影响.仿真结果表明,随着温度的升高,系统的混沌与周期区交替出现,温度场的改变可影响和控制系统的振动特性.     

横向磁场中大挠度金属薄板的混沌振动

利用Karman关于板的大挠度理论,考虑涡电流在板中引起的Lorentz力,导出了在横向磁场和横向载荷共同作用下薄板的非线性运动方程.借助Bubnov-Galerkin法将非线性偏微分方程转化为含三次非线性项的常微分方程.在定性分析的基础上,利用次谐轨道的Melnikov函数给出了发生Smale马蹄型混沌运动的阈值条件,进而数值计算了系统的分岔图、相应的相图、Poincaré映射和时程曲线,给出了混沌运动的数字特征.分析结果表明:磁感应强度和外载荷都会影响系统的振动特性. 关键词： 金属薄板 大挠度 横向磁场 混沌振动